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Revue n° 8
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Publiscopie

Walter Freeman : How brains make up their minds

 Walter J. Freeman  
How brains make up their minds 
Weidenfeld and Nicholson 1999

Notes par Jean-Paul Baquiast 04/03/01

Walter FreemanLe Professeur Walter Freeman, MD, a enseigné pendant 40 ans les sciences du cerveau à la Graduate School de l'Université de Californie, Berkeley. Il y dirige actuellement le Laboratoire de Neurophysiologie de l'Université.
- Neurophysiology Lab 129 Life Science Addition University of California at Berkeley Berkeley, CA 94720-3200 USA  http://sulcus.berkeley.edu/
- Page personnelle http://mcb.berkeley.edu/faculty/NEU/freemanw.html


Les recherches du laboratoire portent sur la mesure et la description de l'activité encéphalographique (EEG) du cortex survenant durant des comportements orientés vers un but. L'information relative au comportement est portée par des patterns spatiaux de modulation d'amplitude dans la gamme des ondes gamma (35-80 Hz) provoqués par les entrées des récepteurs et du système limbique. Ces patterns spatiaux  invariants, fonctions des perceptions et activités, ont été identifiés comme correspondant, non directement au stimuli, mais à leur signification pour l'animal. La dynamique correspondante du cortex a été modélisée par des réseaux d'équations différentielles non linéaires. Les solutions à ces équations montrent l'existence de points d'équilibre, de cycles limites et d'attracteurs chaotiques, mis en évidence par des graphiques interactifs (trad. JPB).

Les principaux ouvrages  et publications de Walter Freeman sont:

  • Neurodynamics; An Exploration of Mesoscopic Brain Dynamics. [W. J. Freeman (2000) London UK: Springer-Verlag]

  • Reclaiming Cognition. [Núñez and W. J. Freeman (1999) Thorverton UK; Academic Imprint]

  • How Brains Make Up Their Minds. [W. J. Freeman (1999) London UK: Weidenfeld, Nicolson]

  • Stabilization of aperiodic attractors by noise. [W. J. Freeman, H-J. Chang, B. C. Burke, P. A. Rose, and J. M. Badler (1997) IEEE Transactions on Circuits and Systems 44, 989-996]

  • Nonlinear dynamics of intentionality. [W. J. Freeman (1997) Journal of Mind and Behavior 18, 291-304]

  • Random activity at the microscopic neural level in cortex ("noise") sustains and is regulated by low-dimensional dynamics of macroscopic cortical activity ("chaos"). [W. J. Freeman (1996) International Journal of Neural Systems 7, 473-480]

  • Modulation by discriminative training of spatial patterns of gamma EEG amplitude and phase in neocortex of rabbits. [J. M. Barrie, W. J. Freeman and M. Lenhart. (1996) Journal of Neurophysiology 76, 520-539]

  • Societies of Brains. A Study in the Neuroscience of Love and Hate. [W. J. Freeman (1995) Mahwah NJ, Lawrence Erlbaum Associates]

Pour en savoir plus
Voir entre autres un condensé des travaux de l'auteur http://www.imprint.co.uk/specials/reclaiming_cognition.html

Nous ne sommes pas neurologues, comme nul ne l'ignore. Nous ne pouvons donc ici que formuler des points de vue prudents sur ces questions difficiles. Il nous a semblé pourtant que l'approche des activités cérébrales par la neurodynamique cérébrale non-linéaire (non linear brain dynamics), conjuguée avec l'imagerie cérébrale, y compris dans le domaine de la pensée et du libre arbitre, apportent des perspectives tout à fait révolutionnaires, si celles-ci sont confirmées par la communauté scientifique. L'avant dernier livre du Pr Freeman, pionnier et vaillant combattant de cette approche, How Brains make up their minds (que l'on pourrait traduire par Comment les cerveaux prennent des décisions - le jeu de mot sur mind n'étant guère traduisible) nous a paru mériter une attention poussée. Ce livre et les travaux qu'il présente paraissent en effet susceptibles d'éclairer, non seulement les faits de conscience encore les plus mal élucidés, mais aussi des phénomènes multiples liés aux comportements de groupe, par exemple dans la prise de décision au sein des sociétés humaines.

Le Pr Freeman aborde la question du cerveau par le plus difficile, c'est-à-dire par le problème de la conscience, des qualia et de la décision dite volontaire. Il refuse d'emblée ce qu'il considère comme des faux-fuyants constituant à évacuer la question: faire appel à un déterminisme génétique ou culturel derrière lequel disparaît la volonté individuelle, renoncer purement et simplement à expliquer le caractère subjectif et incommunicable de l'expérience personnelle, ou même prétendre que la conscience est un épiphénomène ou une illusion. Il ne fait évidemment pas non plus appel aux hypothèses néo-dualistes comme celles de Eccles et Penrose, imaginant de mystérieuses interactions quantiques entre l'esprit et la matière. Il reconnaît par contre pleinement la capacité de l'individu à l'auto-détermination, mais il veut en trouver l'explication dans le cœur du fonctionnement du neurone et des assemblées plus ou moins larges de neurones, décrits par leur activité électrique.

Ce faisant, il va plus loin que les neurologues et philosophes dont nous avons déjà présenté les travaux (Edelman, Damasio, Dennet). Ceux-ci, nous l'avions vu, proposent des modèles séduisants du cerveau conscient, mais qui nous laissent un peu sur notre faim. Contrairement à ce qu'affirmait Dennett, la conscience est loin de s'en trouver "expliquée". Tout au plus ces modèles permettent-ils d'envisager la construction d'artefacts simulant d'assez loin des comportements intelligents et conscients, sans que le cœur du système ait paru décrypté.

Freeman est beaucoup plus ambitieux, et plus révolutionnaire. On peut seulement se demander pourquoi ses thèses sont aussi peu connues du grand public, sinon de ses confrères eux-mêmes. Il affirme que ce qui était encore impossible il y a 10 ans le devient, par la conjugaison d'une imagerie cérébrale au pouvoir de définition de plus en plus grand, et par l'analyse du fonctionnement électrique des neurones et assemblées de neurones. Il recourt sur ce dernier point à des techniques s'inspirant de la traditionnelle électro-encéphalographie, mais capables, elles-aussi, de descendre aussi bien au niveau du neurone que de parties plus ou moins étendues du tissu cérébral. Mais l'aspect le plus innovant de sa démarche repose moins dans l'observation de l'activité électrique des cellules que dans l'appel aux mathématiques de la dynamique non-linéaire pour interpréter les états électriques observés.

Ceux qui comme nous avaient déjà du mal à nous retrouver dans les mathématiques classiques considérons avec sans doute des espoirs excessifs, dus à l'ignorance, les possibilités explicatives de l'auto-organisation et de l'émergence dans les systèmes complexes, donnant naissance en permanence à de nouveaux patterns*. Ces patterns sont identifiés comme la manifestation du chaos, donnant l'impression d'être du bruit, mais cachant un ordre sous-jacent et la capacité de changements rapides et étendus, comme ceux de la pensée humaine. Ce sont là des horizons à prendre tout à fait au sérieux, même lorsque l'on n'est pas mathématicien. Il n'avait jamais été possible avant l'apparition de la dynamique non linéaire de distinguer entre le bruit et le chaos. Dorénavant au contraire d'innombrables phénomènes relèvent de cette nouvelle mathématique, depuis la dynamique des fluides (météorologie, hydrologie), l'analyse des flux circulatoires, l'économie et la finance, la sociologie et la politique. Pourquoi pas le fonctionnement de la pensée?

Le problème qui se pose est qu'il ne suffit pas de dire "chaos, chaos" pour expliquer la conscience et surtout la décision volontaire. On peut intuitivement sentir une analogie prometteuse entre ce qui se passe au sein de populations de milliards de neurones et au sein de l'atmosphère, par exemple. Il ne parait pas absurde de comparer la naissance et la dérive d'une pensée au sein du cerveau, se manifestant par des modifications de l'état électrique des neurones impliqués, avec la création et la dérive d'une dépression sur le front polaire en météorologie. Reste quand même d'une part à justifier expérimentalement que de telles comparaisons ont un sens et, d'autre part, à poser de nouveau la question du libre-arbitre. Le Pr Freeman veut encourager, nous dit-il, les gens à se convaincre qu'ils ont la possibilité de faire des choix. Pour cela, il veut renouveler la définition de la causalité volontaire. Loin que celle-ci soit réservée aux humains, il la fonde dans le concept d'action orientée vers un but (goal-oriented action) appelée aussi "intentionnalité". Ce terme employé par Thomas d'Aquin dès 1272, est très à la mode aujourd'hui. Il décrit l'engagement total d'un acteur, corps et cerveau, vers une action correspondant à un but choisi par cet acteur. Il se distingue du motif et du désir qui sont des sous-produits de cette intention ou intentionnalité.

Dans la mesure où le cerveau s'implique dans le processus d'intentionnalité, des significations se créent, exprimées sous forme de symboles, gestes et mots. Elles résultent du fait que le cerveau crée des comportements intentionnels, puis se modifie en fonction des conséquences sur le monde, perçues par les sens, de ces comportements (processus appelé "assimilation" par d'Aquin et Piaget): le soi arrive à comprendre le monde en s'adaptant à lui. Pour l'homme, animal social et verbalisé, c'est plus particulièrement l'impact de l'action de l'individu sur les autres, qui crée le soi, en lui bâtissant progressivement une expérience et une histoire. Le contenu des significations est très largement social (résultant du contact avec la culture), mais les mécanismes doivent en être étudiés en terme de dynamique cérébrale.

Les significations, pour l'auteur, sont des structures vivantes qui croissent et changent, tout en persévérant. Elles s'expliquent par des phénomènes relevant de la dynamique non-linéaire. Pour mieux les situer, et préciser comment du chaos peut venir l'auto-détermination, il nous invite à comprendre l'organisation hiérarchique des neurones en deux niveaux de taille et d'échelle. Il présente les concepts d'état du neurone individuel et d'une population de neurones, sa variable d'état et son espace d'état, la stabilité des états et les transitions d'état entre états à l'occasion d'une déstabilisation.

Il applique ensuite ces concepts de la dynamique aux premiers effets de la perception de l'environnement par les sens. Le cerveau répond au changement du monde en déstabilisant ses cortex sensoriels primaires. Ainsi se construisent des patterns d'activité neurale constituant une nouvelle signification. Ces patterns, en atteignant d'autres zones du cerveau sont "digérés" de façon spécifique à chaque personne, en fonction du contenu préexistant propre à cette personne.

A un niveau hiérarchique supérieur, les différents patterns émis par les cortex sensoriels sont fusionnés dans les structures profondes du cerveau, en donnant naissance à de nouveaux patterns d'activité. Aucune structure n'assure de coordination spécifique. Celle-ci naît, comme Gérald Edelman l'a fait remarquer, de l'existence de voies massivement réentrantes permettant à chaque sous-ensemble d'informer les autres des produits de son activité, et de tenir compte de l'activité des autres sous-ensembles.

A un niveau encore supérieur, le Pr Freeman fait intervenir l'attention ou état de veille (awareness) en relation avec la formation et la conservation des significations. L'attention n'est pas indispensable à la mise en oeuvre de comportements intentionnels, mais elle intervient quand le cerveau a besoin de penser ses intentions et de se les représenter en mots - ceci notamment à l'occasion de la communication avec les autres par les langages. Ceci nous conduit au cœur de ce que l'on appelle la conscience.

Je traduis ici ce qu'en dit Walter Freeman: "Nous approcherons la biologie de la conscience en examinant les concepts de causalité linéaire et circulaire. La façon dont nous nous représentons les causes peut être expliquée en termes neurobiologiques comme dérivant de celle dont nous sommes conscients de notre expérience et de notre intentionnalité. Ceci montre les limites de la causalité linéaire, et nous aide à comprendre la causalité circulaire, qui est une espèce d'abri à mi-chemin entre la confortable certitude de la causalité et l'effrayant désert, ne laissant pas de place à l'humain, découlant de processus sans cause. Ma conclusion s'accorde avec une hypothèse proposée par le psychologue William James en 1878, selon laquelle la conscience est interactive avec les processus cérébraux, en n'étant ni un épiphénomène ni une cause. La conscience ne contrôle pas les actions comportementales, au moins directement. En terme de dynamique, c'est un opérateur, parce qu'elle module les dynamiques cérébrales dont ont découlé les actions passées. Résidant nulle part et partout, elle reforme les contenus qui sont fournis par les différentes parties du cerveau. C'est la croissance considérable des lobes frontaux et temporaux chez l'homme qui a permis ceci".

Dans la suite du livre, l'auteur montre comment l'interaction des individus au sein de la société humaine forme et consolide les significations individuelles, à travers des comportements sociaux complexes, liés à l'éducation, voire à des états de conscience altérés et de transe. Il appelle ce processus "unlearning" que l'on pourrait traduire par socialisation (sinon lavage de cerveau).

Nous ne rentrerons pas plus avant dans le détail des argumentations proposé par les 7 chapitres de l'ouvrage. Trois questions cependant, que nous avons effleurées dans ce bref commentaire, méritent quelques précisions.

Quels sont les concepts de neurodynamique cérébrale utilisés?

Nous vous renvoyons au texte pour la suite et les démonstrations.

Quelle est la base expérimentale de telles propositions?

Celle-ci résulte, sauf erreur de notre part, d'expérimentations sur lapins vivants, utilisant de micro-capteurs d'activités électriques implantés dans certains zones du cerveau de ces animaux. On peut se demander si cette expérimentation n'est pas un peu fragile. Peut-on aisément la transposer à l'homme? Selon l'auteur, les mécanismes de la dynamique neuronale sont les mêmes, ce qui n'aurait rien de surprenant, vu que les neurones sont très semblables.

A-t-on enfin compris, grâce à de tels travaux, la nature exacte du libre choix chez l'homme?

Ce serait sans doute trop beau d'espérer une réponse claire et définitive. Cela d'ailleurs serait su de tous. Disons qu'un début d'intuition de la façon dont on pourrait se représenter la volonté consciente commence à émerger, grâce à cette espèce de rupture épistémologique que permet la mathématique du chaos et le concept de causalité circulaire, combinés avec ces autres concepts que sont l'intentionnalité et la création par le langage du moi social. Dit en termes simplistes, ceci pourrait s'exprimer ainsi: l'individu que je suis, impliqué tout entier dans un projet, en relation permanente avec ses homologues et le reste du monde, construit sa décision en temps réel, par le comportement de tout son corps. Son cerveau n'en est informé au plan conscient qu'avec un léger retard. La volonté perçu comme consciente n'a pas décidé du comportement en cours, mais elle intervient pour en lisser les différents aspects, le moduler et finalement, le légitimer au regard de l'ensemble des significations constituant la personnalité profonde du sujet.

Quoiqu'il en soit, il parait indiscutable que les mathématiques de la dynamique non-linéaire appliquées à de grandes populations, atomes et molécules, cellules, neurones, individus, groupes, sont encore loin d'avoir épuisé leurs possibilités explicatives, face à des phénomènes qui nous paraissaient jusqu'à présent incompréhensibles, ou devoir relever d'analyses purement philosophiques. Les travaux relatifs à la vie artificielle n'ont d'ailleurs pas attendu pour exploiter ces ouvertures. C'est là finalement, selon nous, même si d'innombrables points restent certainement encore à préciser, le grand apport du Pr. Freeman et de son équipe.

* On peut traduire le terme de pattern par mode d'organisation ou de distribution, mais nous préférons l'utiliser tel que en français.


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